基于多點連續(xù)肌電控制的仿生康復手關鍵技術研究.pdf

1、仿生康復是現(xiàn)階段康復醫(yī)學及康復器械研究領域的核心思想。傳統(tǒng)的康復器械，尤其是針對手部的康復器械，存在結(jié)構簡單、自由度少、控制策略單一、運動模式少以及適應性、靈活性較弱等不足之處，限制了手部康復器的進一步發(fā)展和深入研究。本文設計的仿生康復手是一種模擬人手布局、結(jié)構、尺寸，具有多自由度、多種彎曲關節(jié)的，采用多點連續(xù)肌電控制的新型手部康復器，其結(jié)構的靈活性和適應性，控制策略的連續(xù)性仿生性，積極推動手部康復器的研究和發(fā)展，具有研究意義與應用價值

2、。
　　隨著科技的發(fā)展和患者需求的提高，依靠電機驅(qū)動剛性結(jié)構的傳統(tǒng)康復手在研究和應用兩方面都出現(xiàn)了瓶頸。仿生康復概念的提出，為手部康復器的研究提供了新的理論基礎，指出新的研究方向。本文總結(jié)了現(xiàn)有康復手的優(yōu)缺點，在此基礎上提出一種氣體驅(qū)動剛?cè)嵝越Y(jié)構的新型仿生康復手，具有良好的被動柔性，同時在控制策略方面彌補了現(xiàn)有康復手的不足，提高了仿生效果。
　　本文主要完成的研究工作如下:
　　(1)根據(jù)人類手指關節(jié)運動特性對關節(jié)彎曲

3、性能的不同要求及關節(jié)結(jié)構大小的限制，設計具有兩種類型彎曲關節(jié)、兩個自由度的仿生康復手單指基本結(jié)構，和具有五個手指、十個自由度的仿生康復手本體結(jié)構。以人手布局和實際尺寸為標準，優(yōu)化仿生康復手的整體布局方案和結(jié)構參數(shù)。在此基礎上，設計仿生康復手的總體控制方案?？偨Y(jié)了本文設計的仿生康復手的特色之處。
　　(2)設計了采用雙氣動柔性驅(qū)動器驅(qū)動的、模擬人手指關節(jié)彎曲運動的新型氣動彎曲關節(jié)?；陟o力學和彈性力學理論，對關節(jié)FPA的活動端進行力

4、平衡分析，建立關節(jié)轉(zhuǎn)角的靜態(tài)模型，分析關節(jié)結(jié)構參數(shù)對其彎曲性能的影響;對靜態(tài)模型進行了簡化，并驗證了其與理論模型的誤差;在簡化模型的基礎上，根據(jù)熱力學第一定律和關節(jié)動力學方程，推導了關節(jié)的轉(zhuǎn)角動態(tài)方程組;仿真分析了關節(jié)結(jié)構參數(shù)與彎曲角度之間的關系。實驗結(jié)果表明，當FPA內(nèi)腔氣壓在0.1MPa～0.35MPa時，實際彎曲角度與理論值偏差較小;隨著FPA內(nèi)腔氣壓增大，偏差也隨之增大;當達到理論最大氣壓時，偏差值為7.5°，偏差率為6.8％;

5、因此可以認為，彎曲關節(jié)的轉(zhuǎn)角靜態(tài)特性與理論模型基本吻合。
　　(3)基于稀疏理論，提出表面肌電信號的特征重構算法。在正交匹配算法的基礎上，結(jié)合以K-SVD算法構造的自適應原子庫，對表面肌電信信號進行稀疏分解。根據(jù)稀疏參數(shù)與稀疏結(jié)果之間的關系，優(yōu)化稀疏結(jié)果。在特征重構算法的基礎上，再次提取稀疏結(jié)果的特征參數(shù)并對其進行重構。對比特征參數(shù)曲線與手指關節(jié)實際彎曲角度，驗證與人手實際角度變化規(guī)律的符合度，為后續(xù)研究提供理論基礎;通過與傳統(tǒng)平

6、均幅值算法處理結(jié)果的對比，驗證本章提出的特征重構算法的優(yōu)越性，并分析傳統(tǒng)算法處理效果欠佳的原因。
　　(4)基于幅值乘方理論，提出表面肌電信號的預處理算法。在表面肌電信號集中參數(shù)模型的基礎上，分析算法的理論依據(jù)。根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡理論和誤差反向傳播算法，設計了用于表面肌電信號模式識別的神經(jīng)網(wǎng)絡分類器。對比預處理前后信號特征參數(shù)的分類器訓練結(jié)果及其識別率，驗證預處理算法對信號特征的加權效果。在預處理算法的基礎上，對第四章的特征參數(shù)曲線

7、進行了修正。
　　(5)在傳統(tǒng)肌電控制理論的基礎上，根據(jù)仿生康復手的整體布局和結(jié)構特點，提出多點連續(xù)肌電控制方法，模擬人手的運動規(guī)律，詳細闡述了兩者的聯(lián)系和區(qū)別;詳細分析表面肌電信號特征參數(shù)與仿生康復手控制信號之間的映射關系，并提出其數(shù)學模型。在MATLAB和DELPHI編譯環(huán)境下，設計仿生康復手的控制系統(tǒng)。搭建實驗平臺，完成仿生康復手的系統(tǒng)控制效果實驗。實驗結(jié)果表明:系統(tǒng)可以較好地識別出信號的動作部位，其整體識別率為96.33％

8、，總體控制誤差穩(wěn)定在5％之內(nèi)，控制點的平均誤差值約為0.5087°，最大偏差控制在1°之內(nèi)。
　　本文設計的仿生康復手，采用本課題組自主研發(fā)的氣動柔性驅(qū)動器FPA直接驅(qū)動，其結(jié)構簡單、便于控制、易于實現(xiàn)整體結(jié)構的小型化、具有良好的被動柔性，同時仿生康復手的剛性結(jié)構保證了其整體剛度。仿生康復手的多點連續(xù)肌電控制策略使其比傳統(tǒng)康復手更符合人手的自然運動規(guī)律和動作習慣，更能體現(xiàn)仿生康復的概念。多點連續(xù)肌電控制策略不僅僅可以應用于康復器械